Han studerte medisin ved universitetet i São Paulo og tok eksamen i 1947. Deretter tok han en doktorgrad i zoologi ved Harvard i 1951 med en avhandling om ormeøgler. I tidrommet 1963–1993 var han direktør ved det zoologiske museet i São Paulo og bygde opp en av verdens betydeligste samlinger av krypdyr. Vanzolini har særlig forsket på mekanismene som gjør at nye arter oppstår og har videreutviklet en teori som først ble foreslått av den tyske ornitologen Jürgen Haffer. Artsrikdommen i den brasilianske mata atlântica skyldes ifølge Vanzolini at de stadige klimaendringene i pleistocen har ført til periodevis oppstykking av skogen, og nye arter har oppstått i disse refugiene.